Large Eddy Simulationによるディーゼル噴霧燃焼の解析

使用大涡模拟分析柴油喷雾燃烧

基本信息

批准号：
07J04599
负责人：
堀司
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Doshisha University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07J04599/
关键词：
Large Eddy Simulation Flamelet model CIP KIVA Spray Engine ディーゼル噴霧乱流構造知的可視化

项目摘要

本研究はディーゼル燃焼の予測精度を改善するため燃料噴霧(ディーゼル噴霧)の予測改善に着目し,従来の平均化に基づくRANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)に代わる手法としてLES(Large Eddy Simulation)による噴霧解析手法を提案している.噴霧計算には内燃機関解析コードとして有名なKIVA(KIVA 3V res.2)コードにLESを導入したKIVALESを用いる.平成19年度には,計算格子幅,CIP法による移流解析手法の改善,噴霧モデルの最適化により,燃焼反応が生じない条件における噴霧形成過程のLES解析手法を構築した.平成20年度には燃焼場へ拡張するため,LES燃焼モデルとして定評のあるFlameletモデルを導入した.まず,KIVALESに対して混合分率の輸送方程式Z,ならびにZの分散の輸送方程式を新たに組み込んだ.燃料噴霧解析では着火遅れ,予混合的燃焼,拡散的燃焼と遷移するため,Shellモデルを用いて着火遅れ期間を計算し,1000Kを超過した時にFlameletモデルによって予混合的燃焼および拡散的燃焼を計算した.本研究ではFlameletモデルとして特性時間スケールを導入したFlamelet Time Scale(FTS)モデルを使用した.計算結果より,FTSモデルを用いることで予混合的燃焼の熱発生率が制御されて計算の発散を抑えることができた.噴霧の三次元構造に着眼すると,着火後における予混合的燃焼による膨張過程,拡散的燃焼時の噴霧発達過程において,実験同様の乱流渦に起因した非定常な噴霧発達過程を予測することができた.現在,ディーゼル機関には燃料消費率の向上や窒素酸化物や微粒子状物質の低減が求められており,それを果たすためにLESによる設計支援が注目されている.エンジン筒内流動を対象としたLES解析は行われているが,噴霧解析はその複雑さから実施例は少なく,ディーゼル噴霧に対する有用性を示した研究例はない.本研究によって,LES解析の工学的有効性が確かめられたことより,ディーゼルエンジンを対象としたLES解析の研究が進み,更なる高効率,低エミッションのエンジン開発が期待される.

本研究重点改进燃油喷雾（柴油喷雾）的预测，以提高柴油燃烧的预测精度，并使用 LES（大涡模拟）作为传统基于平均的 RANS（雷诺平均纳维斯托克斯）的替代方案。我们提出了一种分析方法。对于喷雾计算，我们使用著名的内燃机分析代码KIVA（KIVA 3V）。 res.2）我们使用了KIVALES，在代码中引入了LES。2007年，我们改进了计算网格宽度，利用CIP方法改进了平流分析方法，优化了喷雾模型，改善了无条件下的喷雾形成过程。 2008财年，我们引入了作为LES燃烧模型而成熟的Flamelet模型，以便将其扩展到燃烧领域。我们新引入了分数的传输方程 Z 和 Z 分散的传输方程。在燃油喷雾分析中，点火延迟、预混燃烧和扩散燃烧之间存在过渡，因此我们使用 Shell 模型来计算我们使用Flamelet模型计算了温度超过1000K时的预混燃烧和扩散燃烧。在本研究中，我们使用了Flamelet模型，该模型引入了特征时间尺度。时间采用尺度（FTS）模型。计算结果表明，利用FTS模型可以控制预混燃烧的放热率，抑制计算中的发散。当关注喷雾的三维结构时，点火后预混在燃烧引起的膨胀过程和扩散燃烧过程中的喷雾发展过程中，我们能够预测与实验类似的由湍流涡流引起的不稳定喷雾发展过程。为了满足这一需求，针对发动机气缸内的流动进行LES分析的设计支持受到关注，但由于其复杂性，喷雾分析的例子很少，没有研究表明其有用性。这项研究证实了 LES 分析的工程有效性，并且柴油发动机的 LES 分析研究正在取得进展，以实现更高效率和更低效率的发动机开发。